尹曉童, 楊 浩, 于瑞鵬, 李 隆

(中國農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院/植物-土壤相互作用教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/生物多樣性與有機(jī)農(nóng)業(yè)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京100193)

生物多樣性能夠強(qiáng)化生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能, 包括增加生產(chǎn)力, 提高資源利用率, 生物多樣性的喪失會(huì)降低物質(zhì)循環(huán)和能量流動(dòng)等一系列生態(tài)過程的效率及其穩(wěn)定性。在農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中, 集約化單一種植體系依賴化肥、農(nóng)藥大量施用獲得高產(chǎn), 但也造成了一系列的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn), 諸如溫室氣體排放增加, 土壤肥力退化以及生物多樣性喪失等?？梢酝ㄟ^間作、輪作、混作等方式增加生物多樣性的同時(shí)提高生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)力和可持續(xù)性。作物多樣性體系與單一作物體系最大的不同是作物多樣性體系中會(huì)發(fā)生種間相互作用。植物間相互作用(競爭、促進(jìn))是生物多樣性-生態(tài)系統(tǒng)功能關(guān)系的重要驅(qū)動(dòng)力。植物間的競爭表現(xiàn)為不同植物在爭奪有限的資源過程中直接或間接抑制對(duì)方生長、存活或者繁殖的現(xiàn)象。植物間的促進(jìn)作用表現(xiàn)為一種植物能夠改善生長環(huán)境, 促進(jìn)相鄰植物生長、生存或者繁殖的現(xiàn)象。越來越多的研究表明, 地下部的相互作用在植物生長和資源獲取方面至關(guān)重要。推進(jìn)作物多樣性研究的關(guān)鍵是提高對(duì)地下相互作用過程和機(jī)制的理解。在間作體系中, 作物地下部的相互作用驅(qū)動(dòng)了地上部的生產(chǎn)力優(yōu)勢(shì): Li等的研究發(fā)現(xiàn), 小麥(L.)和鷹嘴豆(L.)間作后, 小麥的生物量在相互作用時(shí)比根系分隔時(shí)提高28%。根系分泌物在根際相互作用中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用, 它不僅為根際微生物提供碳源, 也是根際動(dòng)態(tài)過程的信息物質(zhì)決定因素, 在一定程度上決定根際過程的強(qiáng)度和方向。根系分泌物或者信號(hào)物質(zhì)會(huì)直接或間接參與地下部相互作用, 影響自身和鄰近植物的表現(xiàn), 如促進(jìn)自身和相鄰作物對(duì)營養(yǎng)元素的吸收, 提高作物產(chǎn)量, 抑制競爭作物生長等。盡管許多研究都強(qiáng)調(diào)了地下相互作用過程在自然生態(tài)系統(tǒng)和農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的生物多樣性-生態(tài)系統(tǒng)功能(BEF)關(guān)系中的重要性, 但根系分泌物在作物多樣性體系中如何調(diào)控種間地下部相互作用, 進(jìn)而影響農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)功能, 鮮見系統(tǒng)的綜述。本文首先明確了根系分泌物在作物多樣性種植體系中介導(dǎo)的促進(jìn)作用, 包括養(yǎng)分活化能力強(qiáng)的作物通過根系分泌物促進(jìn)自身和相鄰作物養(yǎng)分吸收和利用; 其次, 闡述了在污染土壤上, 超累積植物通過根分泌物緩解重金屬等有害物質(zhì)對(duì)相鄰糧食作物的影響; 然后回顧了根系分泌物通過調(diào)控微生物群落緩解相鄰植物病害的研究進(jìn)展。進(jìn)一步地, 我們也總結(jié)了由根系分泌物介導(dǎo)的地下部種間干擾性競爭作用, 并提出作物多樣性體系中根系分泌物的研究方向, 旨在為構(gòu)建高效的作物多樣性體系提供理論依據(jù)。

1 根系分泌物與植物種間相互作用

植物生長過程中根系不同部位向生長介質(zhì)中分泌或釋放到根際周圍的初生和次生代謝物質(zhì)統(tǒng)稱為根系分泌物。根系分泌物包括低分子量有機(jī)物質(zhì)(如糖、氨基酸和有機(jī)酸), 高分子的黏膠物質(zhì)(包括蛋白質(zhì)、酶和多糖), 根細(xì)胞脫落物及其分解產(chǎn)物以及氣體、質(zhì)子和養(yǎng)分離子等。根系分泌物是調(diào)控一系列根際生物過程和非生物過程的重要物質(zhì)。

依據(jù)根分泌物對(duì)相鄰作物生存和生長的不同影響(圖1), 可以將根系分泌物在植物群落中的作用劃分為種間促進(jìn)作用和種間競爭作用。促進(jìn)作用包括:一種作物的根系分泌物活化難溶性土壤磷和微量元素, 促進(jìn)作物對(duì)養(yǎng)分的吸收和利用; 超富集作物與糧食作物間作可以通過改變根系分泌物減緩重金屬對(duì)糧食作物的毒害作用; 根系分泌物還可以調(diào)節(jié)根際微生物群落, 抑制病害, 改善土壤理化性質(zhì), 有利于相鄰植物的營養(yǎng)吸收和生長。競爭作用包括:一種作物根系分泌物中的化感物質(zhì)對(duì)相鄰植物的根系生長、養(yǎng)分吸收而產(chǎn)生抑制, 從而對(duì)其生長產(chǎn)生負(fù)效應(yīng), 如化感作用通過化感物質(zhì)的產(chǎn)生和釋放后抑制相鄰作物的生長。

圖1 根系分泌物介導(dǎo)的種間相互作用Fig.1 Interspecific interactions mediated by root exudates

2 根系分泌物介導(dǎo)的植物種間養(yǎng)分吸收促進(jìn)作用

根系分泌物(如有機(jī)酸、酚酸、氨基酸、鐵載體及酶等)可以通過不同途徑(酸化、還原、絡(luò)合、風(fēng)化、酶反應(yīng)等)活化磷、鐵、錳及鋅等元素, 黃酮類化合物可以增強(qiáng)豆科作物的生物固氮以緩解對(duì)氮素的競爭。

2.1 磷素促進(jìn)作用

磷活化能力強(qiáng)的植物通過根系釋放的有機(jī)酸、質(zhì)子和酶活化磷元素, 促進(jìn)了磷活化能力弱的植物的生長。田間試驗(yàn)中, 蠶豆(L.)根際釋放質(zhì)子、蘋果酸和檸檬酸, 從而活化土壤中難溶性的無機(jī)磷, 提高了與蠶豆間作的玉米(L.)的磷吸收量。鷹嘴豆是一種已知能有效獲取有機(jī)磷的物種, 其根系能分泌酸性磷酸酶將有機(jī)磷水解為無機(jī)磷, 促進(jìn)相鄰作物獲取磷, 試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)與鷹嘴豆間作能夠提高相鄰小麥和玉米的磷吸收量。根系分泌物介導(dǎo)的磷活化作用, 是缺磷的生態(tài)系統(tǒng)中種間促進(jìn)作用以及提高作物產(chǎn)量的一個(gè)重要機(jī)制。

2.2 氮素促進(jìn)作用

以往研究發(fā)現(xiàn)具有豆科作物的體系由于生物固氮作用, 促進(jìn)了多物種體系種間互作, 近來研究表明一些禾本科(Gramineae)作物能夠分泌促進(jìn)固氮的根系分泌物, 促進(jìn)豆科作物結(jié)瘤固氮。在蠶豆/玉米間作體系中, 玉米根系分泌物中大量的黃酮類化合物可以促進(jìn)蠶豆黃酮類化合物合成, 提高染料木素濃度, 在該類激素信號(hào)的參與下強(qiáng)化結(jié)瘤過程, 并通過增強(qiáng)基因水平和生理水平上固氮相關(guān)蛋白的活性刺激固氮, 蠶豆根系的早期結(jié)瘤基因nodulin-like()、early nodulin-like ()、查爾酮-黃烷酮異構(gòu)酶()基因的表達(dá)比單作高1.5～2.3倍。Hu等采用穩(wěn)定同位素核酸探針(C-DNA-SIP)技術(shù), 觀測到玉米根系分泌物激發(fā)蠶豆根際的9種關(guān)鍵菌屬。其中, 壤霉菌屬()、節(jié)桿菌屬()、芽孢桿菌屬()溶桿菌屬()類芽孢桿菌屬()可以直接參與豆科作物的生物固氮過程, 芽單胞菌屬()太陽桿狀菌屬()硝化球菌屬()堆囊菌屬()通過為微生物提供額外的碳源來增加氮固定(圖2)。小麥和大麥(L.)的根分泌物并不能促進(jìn)相鄰豆科作物的結(jié)瘤固氮, 證明這是一種物種特異性的種間促進(jìn)作用。與此同時(shí), 豆科作物可以通過生物固氮緩解對(duì)土壤中氮素的競爭, 促進(jìn)相鄰作物對(duì)氮的吸收和利用。由此可以看出, 根分泌物驅(qū)動(dòng)的氮素促進(jìn)作用存在雙向性和特異性, 即豆科通過生物固氮提高土壤中氮素有效性, 促進(jìn)相鄰植物的生長; 玉米的根系分泌物又可以通過調(diào)控豆科植物根系基因表達(dá)和根際微生物群落組成增強(qiáng)豆科作物的結(jié)瘤固氮作用, 從而提高體系生產(chǎn)力。

圖2 玉米/蠶豆間作體系中氮高效利用機(jī)制Fig.2 Mechanisms of efficient N utilization at maize/faba bean intercropping system

2.3 微量元素促進(jìn)作用

鐵在植物光合作用、呼吸作用、固氮、活性氧清除等生理過程中扮演重要角色, 并且是多種酶的組分。作物通過釋放鐵載體, 促進(jìn)對(duì)鐵吸收的同時(shí), 也可以促進(jìn)作物對(duì)鋅的吸收, 提高相鄰作物的鐵鋅含量。盆栽試驗(yàn)以及田間試驗(yàn)均證明了花生(L.)與大麥、燕麥(L.)、小麥或玉米間作后可提高花生幼葉中葉綠素、HCl-Fe和總鐵含量, 從而減輕石灰性土壤中花生的缺鐵黃化現(xiàn)象。植物增加對(duì)土壤中難溶性鐵、鋅利用的機(jī)制分為“機(jī)理Ⅰ”和“機(jī)理Ⅱ”: 機(jī)理Ⅰ是雙子葉和非禾本科單子葉植物通過外排質(zhì)子進(jìn)入根際, 促進(jìn)礦物質(zhì)和有機(jī)復(fù)合物釋放鐵, 并通過根真皮質(zhì)膜中膜結(jié)合的鐵還原酶進(jìn)行酶還原; 機(jī)理Ⅱ是對(duì)缺鐵有較強(qiáng)適應(yīng)性的禾本科單子葉植物釋放出麥根酸類鐵載體(phytosiderophores, PS), PS螯合土壤中難溶的Fe(Ⅲ), 形成穩(wěn)定的螯合物PS-Fe(Ⅲ)并幫助植物吸收。當(dāng)花生(機(jī)理Ⅰ植物)和玉米(機(jī)理Ⅱ植物)間作時(shí), 玉米根系分泌的PS, 有助于形成穩(wěn)定的螯合物PS-Fe(Ⅲ), PS-Fe(Ⅲ)可從玉米根表面擴(kuò)散到花生根表面被還原成Fe(Ⅱ), 進(jìn)一步被缺鐵的花生吸收。與此同時(shí), 玉米根系能夠分泌脫氧麥根酸(2?-deoxymugineic acid, DMA), 與土壤中難溶的Fe(Ⅲ)形成Fe(Ⅲ)-DMA, 而被間作花生吸收。PS不僅能夠絡(luò)合Fe(Ⅲ), 還可以絡(luò)合其他微量金屬元素(銅、鋅、錳、鈷、鎳), 提高這些元素在根際的有效性。

根系分泌物通過活化難溶性養(yǎng)分(磷、鐵、鋅等), 改善農(nóng)田中作物的養(yǎng)分吸收并提高產(chǎn)品品質(zhì), 提高肥料特別是磷肥的利用率。在豆科/非豆科間作體系中, 根系分泌物介導(dǎo)的種間促進(jìn)作用能夠促進(jìn)豆科作物結(jié)瘤固氮, 節(jié)約化學(xué)氮肥的用量, 為農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供了有效的途徑。

3 根系分泌物通過降低土壤重金屬有效性促進(jìn)相鄰作物生長

根系分泌物可增強(qiáng)作物對(duì)毒害元素如鋁、鉛、鎘的耐受性, 根系分泌物中的酚酸類化合物能夠螯合金屬離子來減輕其對(duì)植物的毒害作用, 促進(jìn)作物生長。植物長期暴露在鋁環(huán)境中會(huì)損害根系, 擾亂植物吸收水分和營養(yǎng)物質(zhì), 植物根系通過釋放檸檬酸、蘋果酸、酚類化合物等物質(zhì)來螯合游離的Al, 這樣會(huì)降低Al對(duì)于根系的毒害作用。有試驗(yàn)表明羧酸鹽的分泌介導(dǎo)了大麥、小麥和水稻(L.)等谷物的耐鋁性。

重金屬污染土壤上, 重金屬超富集植物和糧食作物間作可以通過改變根系分泌物種類和數(shù)量來降低糧食作物對(duì)毒害元素的吸收和積累, 有利于糧食作物的生長, 同時(shí)也是一種修復(fù)模式。與一些物理和化學(xué)方法相比, 利用超富集植物進(jìn)行修復(fù)具有效率高、成本低、無二次污染、就地修復(fù)等優(yōu)點(diǎn), 是一種在不影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的情況下修復(fù)污染土壤的潛在方法。例如, 龍葵(L.)是一種鎘超富集植物, 在鎘污染土壤修復(fù)方面具有良好的應(yīng)用前景。龍葵和玉米間作后, 龍葵根系分泌大量的有機(jī)酸與Cd形成螯合物, 降低土壤的pH, 提高鎘的生物有效性, 促進(jìn)富集植物龍葵對(duì)鎘的吸收和富集, 降低玉米對(duì)鎘的吸收, 從而緩解間作玉米的鎘吸收和富集, 保障玉米穩(wěn)產(chǎn)和食品安全, 并顯著提高了修復(fù)效率(圖3)。又如, 續(xù)斷菊(L.Hill)和玉米間作改變了兩種作物根系分泌物中有機(jī)酸的種類和數(shù)量, 續(xù)斷菊根系分泌物中檸檬酸和草酸的含量顯著升高, 提高了土壤鎘的有效性, 增加了續(xù)斷菊對(duì)鎘的吸收和積累; 而玉米根系分泌物中檸檬酸和草酸的含量降低, 蘋果酸含量增加, 降低了玉米對(duì)鎘的吸收積累; 同時(shí)也有研究表明, 玉米和續(xù)斷菊間作后檸檬酸、草酸含量的改變使間作土壤中有效態(tài)鉛含量在不同作物帶發(fā)生改變, 提高了續(xù)斷菊植株鉛的累積量, 降低玉米地上部鉛含量。

圖3 糧食作物和超富集植物間作緩解重金屬毒害的作用機(jī)制(修改于郭思宇等[20])Fig.3 Mechanisms of reducing heavy metal toxicity of crops and hyperaccumulators intercropping (Modified from GUO S Y, et al[20])

由此可見, 超富集植物和糧食作物間作通過根系相互作用, 改變根系分泌物中有機(jī)酸的組分, 從而增強(qiáng)超富集植物對(duì)重金屬的吸收和富集, 降低農(nóng)作物對(duì)重金屬的吸收和富集, 能夠提高農(nóng)作物的品質(zhì)。這對(duì)于在重金屬污染的土壤上種植安全的糧食作物以及重金屬污染土壤的修復(fù)提供了有效途徑。

4 根系分泌物通過調(diào)控根際微生物群落促進(jìn)相鄰作物生長

根系分泌物和根際微生物之間的相互作用是一個(gè)十分重要的過程, 根系分泌物介導(dǎo)的植物-微生物互作關(guān)系影響土壤健康和植物生長發(fā)育并增強(qiáng)不同植物群落的生態(tài)系統(tǒng)功能。

4.1 抑制土傳病害

作物多樣性通過改變根系分泌物的種類和組成, 影響微生物群落結(jié)構(gòu)組成, 抑制作物土傳病害。土壤微生物多樣性越高, 結(jié)構(gòu)越穩(wěn)定, 拮抗作用的綜合效果則越強(qiáng)。間作能夠調(diào)節(jié)作物根際土壤細(xì)菌的群落結(jié)構(gòu)組成, 通過抑制病原微生物來提高植物的生產(chǎn)力以及免疫力, 在作物生長旺盛期根際微生物群落的穩(wěn)定性和優(yōu)勢(shì)更強(qiáng)。已有研究證實(shí)間作體系中種間根系的相互作用可以抑制土傳病原菌。連續(xù)單作種植多茬的西瓜[(Thunb.)Matsum and Nakai]易患枯萎病, 研究發(fā)現(xiàn)西瓜/水稻間作可以顯著抑制尖孢鐮刀菌()的密度, 抑制率可達(dá)10%, 主要原因是間作改變了土壤微生物群落, 增加了根際土壤中革蘭氏陽性菌和放線菌數(shù)量, 有效防治了西瓜的枯萎病, 在西瓜單作種植時(shí), 添加水稻根系分泌物也有相同作用, 證明這種現(xiàn)象是水稻的根系分泌物引起的。茴香(Mill.)與煙草(L.)、甜瓜(L.)、三七[(Burkill) F. H. Chen ex C. H.]輪作通過根系分泌物改變微生物群落的組成和數(shù)量抑制病菌, 從而顯著降低煙草黑脛病、甜瓜枯萎、三七根腐病等土傳病原菌的發(fā)病率。玉米和辣椒(L.)間作后連續(xù)3年土地當(dāng)量比為1.81、1.45、1.42, 辣椒疫病嚴(yán)重程度比單作顯著降低33.5%、49.1%、46.0%。這是因?yàn)橛衩缀屠苯烽g作后玉米根系分泌物中苯并噻唑(benzothiazole, BZO)等物質(zhì)抑制了游動(dòng)孢子從孢子囊的釋放、運(yùn)動(dòng)和萌發(fā), 從而有效地控制辣椒疫病在田間傳播。

4.2 信號(hào)物質(zhì)介導(dǎo)調(diào)控微生物群落

根系分泌物含有介導(dǎo)植物相互作用的化學(xué)信號(hào)物質(zhì), 有些信號(hào)物質(zhì)不僅在相鄰植物感知、識(shí)別中發(fā)揮作用, 還會(huì)改變土壤微生物群落結(jié)構(gòu)。例如, 由揮發(fā)性有機(jī)化合物(volatile organic compounds, VOCs)介導(dǎo)的植物間信號(hào)物質(zhì)可以通過菌絲網(wǎng)絡(luò)或特定微生物在植物間的傳播幫助植物抵御病原菌或影響根系分布。蒼術(shù)[(Thunb.) DC.]和花生間作后, 蒼術(shù)釋放的VOCs作為信號(hào)物質(zhì), 可引起鄰近植物花生的響應(yīng), 蒼術(shù)根莖和地上部釋放的萜烯和芳香烴類物質(zhì)能夠通過調(diào)控花生生理活動(dòng)和根系分泌物組分, 使花生根系分泌更多的酚酸和有機(jī)酸, 顯著降低了花生中丙二醛的累積量, 增加了花生根際的細(xì)菌和真菌種類, 抑制間作花生根際的病原菌, 如鐮刀菌(spp.)和黃單胞菌(), 抑制花生根腐病, 促進(jìn)花生生長, 提高花生抗性。

乙烯作為化學(xué)信號(hào)物質(zhì), 也會(huì)使鄰近植物、食草動(dòng)物、病原體或其他攻擊者做出反應(yīng)。最近研究發(fā)現(xiàn), 乙烯也可以作為信號(hào)物質(zhì)在植物種間的相互作用中發(fā)揮作用。例如, 在花生/木薯(Crantz.)間作系統(tǒng)中, 花生根系分泌的信號(hào)物質(zhì)乙烯不僅能夠感知相鄰植物的存在, 也在調(diào)節(jié)根際微生物中發(fā)揮關(guān)鍵作用。木薯根系釋放的氰化物能夠刺激花生根系產(chǎn)生乙烯, 并改變根系微生物的群落組成, 顯著增加花生根際細(xì)菌α多樣性以及根際放線菌的相對(duì)豐度, 改善土壤質(zhì)量, 以此改善花生根系的養(yǎng)分吸收并增加籽粒產(chǎn)量。

參與植物識(shí)別的特異性化學(xué)信號(hào)和植物激素會(huì)改變土壤微生物組成, 不同作物的根系分泌物也會(huì)改變土壤微生物群落結(jié)構(gòu), 有利于種間促進(jìn)作用, 抑制病原菌, 改善土壤理化性質(zhì), 從而增強(qiáng)群落的生態(tài)系統(tǒng)功能。

5 根系分泌物介導(dǎo)的種間干擾競爭作用

植物種間典型的負(fù)相互作用包括: 資源競爭、化學(xué)干擾(化感作用)和寄生?；凶饔檬墙閷?dǎo)種間相互作用的主要化學(xué)生態(tài)學(xué)機(jī)制。國際化感學(xué)會(huì)把化感作用定義為: “一切通過植物、微生物和真菌產(chǎn)生的次級(jí)代謝物(化感物質(zhì))來影響農(nóng)業(yè)和生物系統(tǒng)(不包括動(dòng)物)生長發(fā)育的過程?！?化感作用是植物產(chǎn)生和釋放防御性代謝產(chǎn)物(即化感物質(zhì)), 對(duì)同種和異種植物產(chǎn)生負(fù)面影響的一種干擾機(jī)制。目前已經(jīng)確定的化感物質(zhì)種類主要有酚類化合物(簡單酚類、黃酮類、香豆素類和醌類)、萜類化合物(單萜類、倍半萜類、二萜類、三萜類和甾類)、生物堿和含氮化合物(非蛋白氨基酸、苯并惡嗪類、氰苷類)等。早期對(duì)化感作用的研究發(fā)現(xiàn), 胡桃樹(L.)的根系能夠分泌化感物質(zhì)萘醌及胡桃醌, 抑制相鄰植物的生長?；兴就ㄟ^根系分泌化感物質(zhì)二萜內(nèi)酯、環(huán)己烯酮和黃酮等抑制稻田雜草的生長。

根系分泌物中的丁布(DIMBOA)、門布(MBOA)等化感物質(zhì)會(huì)抑制相鄰作物的生長。一些禾本科植物, 如小麥、玉米和黑麥(L.)根系能夠分泌苯并惡唑嗪酮類化合物(benzoxazinoids, BXs), 幫助植物建立防御系統(tǒng)來抑制相鄰植物的生長, 并控制與根系相關(guān)的真菌和細(xì)菌感染。苯并惡唑嗪酮化合物主要有異羥肟酸類[4-benzoxazin-3(4H)-one, DIMBOA; 4-dihydroxy-2H-1, 4-benzoxazin-3(4H)-one, DIBOA]、苯并惡唑啉酮類[6-methoxy-benzoxazolin-2(3H)-one, MBOA; benzoxazolin-2(3H)-one, BOA]、內(nèi)酰胺類(2-hydroxy-1, 4-benzoxazin-3-one, HBOA; 2-hydroxy-7-methoxy-1, 4-benzoxazin-3-one, HMBOA)、甲基衍生物類[2-hydroxy-4, 7-dimethoxy-(2H))-1, 4-benzoxazin-3(4H)-one, HDMBOA]等。苯并惡唑嗪酮類化合物中研究較多的是丁布(DIMBOA)和門布(MBOA), 它們會(huì)塑造根際微生物群抑制鄰近植物生長, 增強(qiáng)植物防御功能, 抑制食草動(dòng)物的行為。試驗(yàn)表明小麥和鄰近植物共生時(shí), 會(huì)檢測到小麥鄰近植物分泌的黑麥草內(nèi)酯和茉莉酸信號(hào), 并通過根系釋放DIMBOA抑制鄰近植物生長。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn), 當(dāng)小麥與不同競爭植物共生時(shí), 其根系分泌物及根際土中的MBOA含量具有顯著差別, 當(dāng)小麥感知到競爭雜草的存在時(shí), 會(huì)分泌更多的化感物質(zhì)來抑制雜草生長, 如小麥和馬唐[(L.)Scop.]或野燕麥(L.)等植物種在一起后, 小麥根際MBOA的濃度會(huì)顯著增加。

植物首先是要通過對(duì)鄰近植物化學(xué)識(shí)別, 然后才決定是否合成釋放相應(yīng)的化感物質(zhì)抑制鄰近植物。根系分泌的信號(hào)物質(zhì)會(huì)觸發(fā)一系列響應(yīng)策略, 引起化感作用, 從而改變植物的適應(yīng)性。黑麥草內(nèi)酯作為化學(xué)信號(hào)物質(zhì)在植物抵御雜草、病原體和食草動(dòng)物中發(fā)揮著信號(hào)傳遞的重要作用。植物可以檢測到相互作用的植物根中釋放的黑麥草內(nèi)酯, 然后通過增加自身根系化感物質(zhì)的釋放量來抑制鄰近植物的生長, Li等利用化感水稻與5種生物型稗草[(L.) Beauv.]相互作用的模擬試驗(yàn), 證明黑麥草內(nèi)酯作為一種化學(xué)信號(hào)物質(zhì), 可以讓水稻識(shí)別到競爭對(duì)手的存在, 并促進(jìn)化感物質(zhì)的產(chǎn)生來抵御競爭對(duì)手。茉莉酸是一種常見的化學(xué)信號(hào)物質(zhì), 可以誘導(dǎo)植物產(chǎn)生防御性代謝物來抵御有害微生物、食草動(dòng)物或競爭植物。Kong等通過小麥和100種植物共存試驗(yàn), 證明了黑麥草內(nèi)酯和茉莉酸作為根系分泌物中的信號(hào)參與了小麥識(shí)別相鄰植物的過程, 并刺激小麥分泌DIMBOA, 并且隨著相鄰植物數(shù)量的增多, 小麥體內(nèi)化感物質(zhì)DIMBOA含量也會(huì)增多。尿囊素是一種從嘌呤中提取的富氮化合物, 不僅參與物種間的相互作用, 還是保護(hù)植物免受非生物脅迫的信號(hào)?；兴酒贩N通過改變尿囊素的釋放量, 對(duì)親緣和非親緣水稻產(chǎn)生不同的反應(yīng), 在遠(yuǎn)緣水稻品種存在時(shí), 尿囊素釋放更多, 從而引起化感作用, 這表明尿囊素是響應(yīng)親屬識(shí)別, 識(shí)別親緣關(guān)系的化學(xué)信號(hào)物質(zhì)。親緣關(guān)系識(shí)別使化感植物可以區(qū)分其相鄰的合作者(親屬)或競爭對(duì)手, 并相應(yīng)地調(diào)整其生長、競爭力和化學(xué)防御策略。在最近的一項(xiàng)研究中發(fā)現(xiàn), 將親緣關(guān)系近的水稻品種進(jìn)行混作時(shí), 水稻根系通過種內(nèi)識(shí)別作用降低化感物質(zhì)的分泌, 且發(fā)生躲避生長, 占據(jù)了相鄰雜草根系的生長空間。該體系通過降低次生代謝物質(zhì)的分泌, 在不降低水稻生物量的同時(shí), 用更“經(jīng)濟(jì)”的方法抑制相鄰雜草生長, 這為通過品種多樣性混作的方式降低除草劑的施用提供了科學(xué)依據(jù)。

作物多樣性體系中一種植物根系分泌物可以緩解另一種植物的自毒作用。許多植物產(chǎn)生的化感物質(zhì)會(huì)抑制同種植物的生長(即自毒作用), 自毒現(xiàn)象廣泛存在于自然生態(tài)系統(tǒng)和農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中。一些植物自身分泌的化感物質(zhì)積累會(huì)導(dǎo)致生長的自我抑制現(xiàn)象。例如, 在蘆筍(L.)、黃瓜(L.)、矢車菊(L.)等植物都觀察到了這種自毒作用。杉木[(Lamb.) Hook.]連續(xù)單作會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)量下降, 主要原因是由杉木自身釋放的一種化感物質(zhì)環(huán)二肽(6-hydroxy-1, 3-dimethyl-8-nonadecyl-[1, 4]-diazocane-2, 5-diketone)的濃度會(huì)隨著杉木連作而增加, 產(chǎn)生自毒作用; 當(dāng)杉木與其他樹種[如含笑(Lour.) Spreng.]種植在一起時(shí), 會(huì)減少化感物質(zhì)環(huán)二肽的釋放, 并促進(jìn)其在土壤中的降解, 減輕對(duì)杉木的抑制作用。桃樹(L.)連續(xù)單作也會(huì)導(dǎo)致后栽桃樹生長受到抑制, 產(chǎn)量降低, 甚至死亡, 這是因?yàn)楣麍@內(nèi)殘留的桃樹根系、種子以及葉片中含有大量的扁桃苷, 經(jīng)土壤根際微生物和相關(guān)酶分解生成有毒的氰根(CN), 不斷累積釋放到環(huán)境中, 從而對(duì)桃樹產(chǎn)生自毒作用。通過種間搭配, 可以緩解桃樹的連作障礙。例如, 在果樹行間種植適宜的農(nóng)作物, 如豌豆(L.)、小蔥(L.)等可以緩解桃樹的自毒作用, 同時(shí)改善土壤結(jié)構(gòu), 提高果樹對(duì)養(yǎng)分的利用率, 促進(jìn)果樹生長。因此, 可以通過選擇合適的作物進(jìn)行間作或輪作, 緩解作物因自毒作用產(chǎn)生的連作障礙, 延長經(jīng)濟(jì)作物的種植年限。

通過對(duì)化感物質(zhì)驅(qū)動(dòng)的種間和種內(nèi)競爭的理解, 可以根據(jù)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的首要目標(biāo)進(jìn)行作物品種的選擇和物種搭配。如首要目標(biāo)是提高體系產(chǎn)量, 可通過選擇化感作用弱的作物品種與其他作物間作, 降低化感作用驅(qū)動(dòng)的種間競爭; 如首要目標(biāo)是減少除草劑的施用, 則可通過親緣相近的作物品種混作, 在降低化感作用驅(qū)動(dòng)的種內(nèi)競爭的同時(shí), 通過根系分布的改變, 在不影響產(chǎn)量的情況下抑制雜草的生長。這為通過調(diào)控根分泌物的化感作用減少外部投入、提高農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)功能、發(fā)展生態(tài)農(nóng)業(yè)提供了科學(xué)依據(jù), 并有良好的應(yīng)用前景。

6 研究與應(yīng)用展望

我們回顧了近年來作物多樣性研究的進(jìn)展, 總結(jié)了根系分泌物介導(dǎo)的作物多樣性體系地下部種間相互作用的證據(jù)和機(jī)制(表1), 大量研究也證實(shí)了根系分泌物在種間相互作用中的關(guān)鍵作用。在作物多樣性體系中, 根系分泌物介導(dǎo)的種間相互作用仍需要進(jìn)一步深入系統(tǒng)的研究。

表1 根系分泌物介導(dǎo)種間相互作用實(shí)例Table1 Examples of interspecific interactions mediated by root exudes

田間和原位條件下根系分泌物收集提取等研究手段需要進(jìn)一步發(fā)展。目前根系分泌物研究大多在室內(nèi)模擬條件下進(jìn)行, 田間原位條件下, 影響因素多, 根系分泌物和信號(hào)物質(zhì)的收集、提取困難, 研究方法對(duì)研究結(jié)果影響較大。雖然目前根系分泌物研究的方法在不斷創(chuàng)新和完善, 但是缺乏統(tǒng)一、權(quán)威、有效的方法。首先, 根系分泌物的收集研究大都采用的是室內(nèi)試驗(yàn), 試驗(yàn)環(huán)境和自然環(huán)境會(huì)有差別, 忽略了自然因素的影響, 比如土壤動(dòng)物、土壤微生物以及土壤本身?xiàng)l件, 導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果理想化。其次, 收集根系分泌物時(shí), 會(huì)對(duì)根系造成擾動(dòng)和傷害, 引起植物根系生理機(jī)制的變化甚至損傷根系, 收集的根系分泌物可能會(huì)有根系損傷流出的滲出液, 和實(shí)際分泌結(jié)果會(huì)有差異。雖然根系分泌物的鑒別方法利用了高效液相色譜、氣相色譜以及和質(zhì)譜聯(lián)用, 但是復(fù)雜的根系分泌物純化后得到的組分只占根系分泌物總量的很小一部分, 所以根系分泌物鑒定出的成分也很少, 很多成分目前無法準(zhǔn)確鑒定。即使鑒定出相關(guān)物質(zhì), 作物的種植密度等外在因素也會(huì)影響根系分泌物含量, 且多種作物的根系分泌物難以區(qū)分, 研究因根系分泌物引起的相互作用比較困難。因此, 根系分泌物的收集要設(shè)計(jì)更少擾動(dòng)根系自然生長的原位收集方法, 不斷發(fā)展和完善根系分泌物的分離純化與鑒定技術(shù), 鑒定出更多成分的根系分泌物。未來作物多樣性體系中的地下作物過程研究應(yīng)該集中在真實(shí)的土壤環(huán)境中以更加綜合的視角和方式來研究根系間的相互作用。

根系分泌物的作用機(jī)理需要整合多種技術(shù)進(jìn)行分析。采用宏基因組測序、實(shí)時(shí)熒光定量PCR、基因定位、基因敲除等技術(shù), 根系分泌物中有些物質(zhì)的生物合成和分子調(diào)控機(jī)制也有了突破性進(jìn)展, 如現(xiàn)在的研究已經(jīng)揭示了小麥、水稻和高粱[(L.) Moench]等主要作物化感物質(zhì)的作用過程與機(jī)制。但是在生物多樣性較高的群落中, 根系分泌物的作用機(jī)理十分復(fù)雜, 若要促進(jìn)或抑制某種特定根系分泌物的產(chǎn)生, 必須從代謝水平上對(duì)其進(jìn)行調(diào)控?，F(xiàn)有的許多方法不能直接用于田間原位測定分析, 并且根系分泌物的很多過程機(jī)制和土壤微生物、土壤動(dòng)物、相鄰作物相關(guān)聯(lián), 過程復(fù)雜, 植物間的種間和種內(nèi)相互作用機(jī)理難以調(diào)控, 分子試驗(yàn)

操作過程復(fù)雜且價(jià)格昂貴, 進(jìn)行連續(xù)的測定困難, 無法連續(xù)測定根系分泌物的機(jī)制過程, 所以根系分泌物介導(dǎo)的植物-土壤、植物-微生物、植物-植物之間的相互作用機(jī)制研究比較困難, 很多過程的生理機(jī)制還有待進(jìn)一步挖掘。因此, 需要進(jìn)行化學(xué)、微生物學(xué)、數(shù)學(xué)、生態(tài)學(xué)等學(xué)科交叉, 采取模型、試驗(yàn)、基因測序等多種試驗(yàn)方法結(jié)合, 研究根系分泌物介導(dǎo)的相關(guān)過程的生理機(jī)制, 來理解復(fù)雜的地下促進(jìn)與競爭網(wǎng)絡(luò)。植物物種間特定根系性狀和土壤生物之間的匹配可能有利于提高物種養(yǎng)分的獲取能力和對(duì)病原體的防御能力。因此, 未來的研究可以整合微生物高通量培養(yǎng)、鑒定及多組學(xué)分析, 來理解復(fù)雜的地下促進(jìn)與競爭網(wǎng)絡(luò)。

通過根-根相互作用以及根系分泌物介導(dǎo)的微生物過程促進(jìn)磷等元素的吸收以及提高作物的固氮能力是作物多樣化中普遍被認(rèn)可的高產(chǎn)機(jī)制。地下部促進(jìn)作用可能由根系分泌物介導(dǎo)的多種因素協(xié)同誘導(dǎo), 包括增加土壤養(yǎng)分的獲取、增加土壤微生物組成的多樣性和功能、減少根系競爭和化感作用等。目前, 作物多樣性體系中根系分泌物直接影響或根系分泌物影響微生物群落從而促進(jìn)生物固氮作用的機(jī)制研究比較全面, 但是對(duì)磷、鐵等元素活化吸收過程中根系分泌物是否影響微生物組成和功能有待進(jìn)一步研究。植物間的地下過程需要進(jìn)一步的探索, 更好地利用間作等作物多樣性種植體系, 確保農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中的微量營養(yǎng)素供應(yīng)。

除了促進(jìn)養(yǎng)分吸收外, 不同的農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)還通過根-根相互作用(根系分泌物直接作用)和植物-土壤-微生物群落相互作用(根系分泌物間接作用)促進(jìn)水分獲取, 保護(hù)植物免受有害物質(zhì)(如重金屬和化感物質(zhì))、病原菌的侵害。品種多樣性和物種多樣性相互結(jié)合是強(qiáng)化種內(nèi)互補(bǔ)性和種間促進(jìn)作用、減少種間競爭的有效辦法。根系分泌物引起的植物間化感作用作為一種自然的生態(tài)現(xiàn)象, 對(duì)其本質(zhì)的探討可以有助于加深對(duì)植物種間和種內(nèi)相互作用關(guān)系的理解和認(rèn)知, 但最關(guān)鍵的是植物化感作用的研究理論與實(shí)踐能否在作物多樣性體系中發(fā)揮作用并且促進(jìn)農(nóng)林業(yè)的持續(xù)發(fā)展和達(dá)到對(duì)自然資源保護(hù)的目的。特定的品種混作或間作還可以減少病蟲害, 減輕自毒作用, 提高生產(chǎn)力, 減少農(nóng)業(yè)化肥的需求。因此, 在不影響產(chǎn)量的情況下, 如何通過合理的作物組合降低農(nóng)藥和除草劑的投入, 需要進(jìn)一步的研究。單一作物連續(xù)種植, 會(huì)由于化感物質(zhì)的累積產(chǎn)生自毒作用, 選擇合理的作物進(jìn)行多樣性種植, 會(huì)減緩植物的自毒作用, 提高產(chǎn)量和品質(zhì)。全面系統(tǒng)了解根系分泌物介導(dǎo)下的根系相互作用機(jī)制有利于根際生態(tài)系統(tǒng)理論體系的完善與發(fā)展, 為建立環(huán)境友好的農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)提供理論依據(jù)。

根系-微生物相互作用的結(jié)果取決于根分泌物的時(shí)空分布、管理措施和基因型特征。因此, 選擇特定的物種或基因型組合來匹配表型、微生物功能和植物-土壤反饋是強(qiáng)化生態(tài)系統(tǒng)功能的可能途徑。在農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中, 可以通過間作、輪作、混作等方式在增加生物多樣性的同時(shí)提高生態(tài)系統(tǒng)功能, 并穩(wěn)定糧食生產(chǎn); 同時(shí)多樣性種植可以通過根系分泌物介導(dǎo)或微生物介導(dǎo)的養(yǎng)分富集來強(qiáng)化促進(jìn)作用, 提高糧食產(chǎn)量?？傊? 通過匹配物種/基因型間特定的根系性狀、生理過程和土壤生物互作, 可以最大限度地強(qiáng)化種間促進(jìn)作用, 從而構(gòu)建可持續(xù)的農(nóng)田(如間套作、輪作體系)和半自然(如人工林、人工草地)生態(tài)系統(tǒng), 并發(fā)展高產(chǎn)高效、環(huán)境友好的多樣性種植體系。